1	Luento 5 Suoritin ja väylä Suorittimen rakenne Väylän rakenne Käskyjen suoritussykli Suorittimen tilat Poikkeukset ja keskeytykset TTK-91:n ja sen simulaattorien rakenne
2	Suoritin
3	TTK-91 suorittimen rakenne (1)
4	TTK-91 muistin rakenne
5	Käskyjen nouto- ja suoritussykli (5) Hae PC:n osoittama konekäsky muistista lisää samalla PC:n arvoa yhdellä Suorita konekäsky jos (ehdollinen) hyppykäsky, niin PC:n arvo voi vielä muuttua
6	Nouto- ja suoritussykli Käskyn suoritus voi muuttaa systeemin tilaa sisäiset ja ulkoiset rekisterit muisti laitteet
7	TTK-91 konekäskyn rakenne Käskyn esitys bittitasolla on aina:
8	Nouto- ja suoritussykli tarkemmin (5) Noutovaihe muistista MBR:n kautta IR:ään Lisää 1 PC:hen Käskyn purku ja muistiosoitteen (EA) lasku OPER, Rj, M, Ri, ADDR TR ¬ (Ri) + ADDR (pelkkä ADDR, jos Ri=R0) Operandin nouto muistista MBR:n kautta TR:ään (0-2 krt ?) ALU operaatio tulos rekisteriin R0-R7 tai TR:ään (STORE, PUSH) Muistiin talletus muistiin MBR:n kautta
9	Käskyn noutovaihe (4) Vie PC:n arvo MAR:iin Aseta muistin lukusignaali kontrolliväylälle asentoon ”lue” Odota, kunnes muistipiiri toimittaa väylän kautta uuden arvon MBR:ään Siirrä konekäsky MBR:stä IR:ään
10	Käskyn purku ja tehollisen muisti- osoitteen (EA) laskemisvaihe Purku automaattisesti langoitettuna IR:stä Muistiosoitteen lasku, tulos TR:ään jos Ri=0, niin TR ¬ ADDR muutoin TR ¬ (Ri)+ADDR ALU suorittaa laskutoimituksen jos ADDR = 0, niin TR ¬ (Ri) Effective Address (EA) on nyt TR:ssä
11	Operandin luku vaihe (4) Vie muistiosoite MAR:iin Aseta muistin lukusignaali kontrolliväylälle asentoon ”lue” Odota kunnes muistipiiri toimittaa väylän kautta uuden arvon MBR:ään Siirrä sana MBR:stä TR:ään (tai suoraan johonkin laiterekisteriin R0-R7)
12	ALU operaatio -vaihe (10) Lähtötilanne käsky haettu ja purettu osiin IR:ssä 1. operandi rekisterissä (R0, …, R7) 2. operandi TR:ssä Käskyn suoritus ALU:ssä vie operandit sisäistä väylää pitkin yksi kerrallaan ALU:un anna ALU:lle sopiva ohjaussignaali add, mul, copyLeft, comp, ... odota, että tulos valmis talleta tulos rekisteriin, MBR:ään, PC:hen ja/tai SR:ään
13	Tuloksen muistiin kirjoitus -vaihe (5) Vie muistiosoite MAR:iin Vie kirjoitettava sana MBR:ään Aseta kirjoitussignaalit kontrolliväylälle asentoon ”kirjoita muistiin” Odota kunnes sana siirretään muistiin väylää pitkin ja väylän kontrollisignaalit kertovat muistiinkirjoittamisen tapahtuneen
14	TTK-91 Nouto- ja suoritussykli vähän tarkemmin (1)
15	MMU:n toiminta (2) Ohjelman käyttämät muistiosoitteet (VA) ovat näennäisiä, välillä 0 … LIMIT-1 ne eivät ole samoja osoitteita kuin keskusmuisti käyttää MAR:iin menevä arvoa VA ei käytetä suoraan, vaan se tarkistetaan ja muokataan ensin Tarkista, onko VA Î [0, LIMIT-1]. Jos ei ole, niin aseta SR:n bitti M päälle ja lopeta käskyn suoritus Lisää VA:han BASE ja laita tämä arvo (PA) MAR:iin
16	TTK-91 virtuaalimuisti
17	Virtuaalimuistin osoitteenmuunnosmenetelmiä (3) Kanta- ja rajarekisteriin perustuva base ja limit rekisterit (esim. ttk-91, 8086, ...) Sivuttava sivutaulut virtuaaliavaruus jaettu saman kokoisiin sivuihin Segmentoiva virtuaaliavaruus jaettu ohjelman mukaan erillisiin eri kokoisiin segmentteihin koodi segmentti, data segmentti, …
18	Sivuttava virtuaalimuisti Kaikki tieto ei sijaitse muistissa, loput on levyllä erityisessä virtuaalimuistille varatussa partitiossa Muisti jaettu tasakokoisiin sivukehyksiin mikä tahansa (levyllä oleva) virtuaalimuistin sivu voidaan sijoittaa mihin tahansa keskusmuistissa olevaan sivukehykseen kirjanpito virtuaalimuistin sivutauluissa (isot taulukot muistissa) Osoitteenmuutosta nopeuttaa välimuistin kaltainen TLB (Translation Lookaside Buffer) esim. 99.9% osoitteenmuutoksista TLB:stä TLB osa muistinhallintayksikköä (MMU)
19	Virtuaalimuistin piirteitä Samalla ratkaistaan helposti muita ongelmia kirjanpito eri ohjelmien muistin käytöstä ohjelman muistialueiden suojaus muilta ohjelmilta ohjelma tarvitsee enemmän muistitilaa kuin mitä on yleinen muistinhallintaongelma Yleinen muistinhallintaongelma miten paljon muistitilaa kullekin ohjelmalle? missä päin muistia kunkin ohjelman muistitila on? yhtenäinen alue vai paloittainen? kiinteä sijainti koko ohjelman suorituksen ajan? miten muistiin viitataan?
20	Virtuaalimuistin ongelma (1) Joka muistiviitteen yhteydessä täytyy tehdä aika monimutkainen kuvaus virtuaaliosoitteesta fyysiseen keskusmuistiosoitteeseen osittainen ratkaisu: TLB sivutaulujen koko silti ongelma! osa niistäkin levyllä! Aina joskus tulee viite sivuun, joka ei sijaitse keskusmuistissa kustannus: peli seis, kunnes tiedot haettu levyltä! lääke: niin iso keskusmuisti, että näitä ”sivunpuutoskeskeytyksiä” ei tule usein
21	Keskeytystilanteet (3) Mikä tahansa tilanne, jonka käsittely vaatii poikkeuksen käskyjen normaaliin suoritusjärjestykseen Rakkaalla lapsella on monta nimeä: poikkeus, keskeytys, virhetilanne, trappi, … exception, interrupt, fault, trap, failure, … SCV, KJ-kutsu, ... Jatkossa yleisnimi keskeytys tarkoittaa kaikkia näitä eri tapauksia tai tyyppejä
22	Keskeytysten käsittely (4) Jokainen mahdollinen keskeytystyyppi on ennalta tunnettu, eli mitään todella yllättävää ei tapahdu Jokaiselle keskeytystyypille on oma käyttöjärjestelmän tuntema keskeytyskäsittelyrutiini Jokaisen käskyn suorituksen jälkeen tarkistetaan keskeytysten olemassaolo SR:stä ja haaraudutaan keskeytyskäsittelijään tarvittaessa joskus keskeytykset on estetty (ttk-91:ssä SR:n bitti D) paluu käsittelijästä ”return-from-interrupt-handler” käskyllä (esim. IRET, tms) ”Yllättävä aliohjelmakutsu”
23	Keskeytystyyppejä (3) Käskyn aiheuttamat virhetilanteet Käskyn aiheuttamat muut poikkeustilanteet kyseessä ei siis ole virhetilanne, vaan haluttu käyttäytyminen tilanne vaatii erikoistoimenpiteen, jonka toteutus on tehty keskeytyskäsittelyn kaltaiseksi Ulkoapäin (muualta kuin suorittimelta) tulleisiin signaaleihin reagoiminen kontrolliväylältä tuleva signaali
24	Käskyn aiheuttamat virhetilanteet Virheellinen käskyn tai datan osoite Tuntematon käsky (opcode) Nollalla jako Kokonaisluvun tai liukuluvun yli/alivuoto Käytetty osoite ei ole muistissa (MMU)
25	Käskyn aiheuttamat muut poikkeustilanteet SVC käsky I/O konekäsky Trace keskeytys Käyttäjän määrittelemä keskeytys esim. Javan throw/catch tai try/catch operaatioiden toteutus
26	Ulkoapäin (muualta kuin suorittimelta) tulleet keskeytykset Kellolaitekeskeytys (esim. joka 10 ms) Laitekeskeytys (esim. levy I/O valmis) Laitteistovirhe (esim. virhe väylän tiedonsiirrossa)
27	Keskeytyskäsittelijä Osa käyttöjärjestelmää Ennen keskeytyskäsittelijään hyppäämistä asetetaan suoritin ja MMU etuoikeutettuun käyttöjärjestelmätilaan SR:n bitti P on päällä => etuoikeutettu tila eli (P = Priviledged) käyttöjärjestelmä tila käyttöjärjestelmätilassa saa viitata mihin tahansa kohtaan muistia (MMU: BASE=0, LIMIT=”hyvin iso”) käyttöjärjestelmätilassa saa käyttää kaikkia konekäskyjä (esim. IRET tai ClearCache) Käsittelijästä paluun yhteydessä MMU:n tila ja suorittimen tila asetetaan ennalleen
28	Suorittimen tilat (2) Käyttäjätila voi käyttää vain tavallisia käskyjä voi viitata vain käyttäjän omaan muistiavaruuteen (MMU valvoo) Etuoikeutettu tila tai (KJ:n) ytimen tila voi käyttää kaikkia konekäskyjä, myös etuoikeutettuja (esim. clear_cache, iret) voi viitata kaikkialle muistiin, myös käyttöjärjestelmän ytimeen (kernel) voi käyttää (myös) suoria muistiosoitteita (PA)
29	Suorittimen tilan muuttaminen (2) Käyttäjätila ® etuoikeutettu tila keskeytys tai suora KJ:n palvelupyyntö (SVC käsky) keskeytyskäsittelijä tarkistaa onko (oliko) oikeutta tilan vaihtoon Etuoikeutettu tila ® käyttäjätila etuoikeutettu konekäsky “return from interrupt handler” esim. IRET (Pentium II) palauttaa kontrollin keskeytyneeseen kohtaan ja suorittimen tilan keskeytystä edeltäneeseen tilaan
30	TTK-91 Nouto- ja suoritussykli vielä vähän tarkemmin
31	Väylät Tiedon siirtoa varten laitteistossa Yksi kirjoittaja kerrallaan (vain!) Toteutettu johdinkimppuina Eri tasoilla suorittimen sisällä ”sisäinen väylä” muistiväylä suorittimen ja muistin välillä I/O-väylä muistiväylän ja I/O-laitteiden välillä Useita eri tapoja yhdistellä edellä olevia
32	Väylähierarkia
33	Väylät (1) Kullakin laitteella oma osoite Yksi lähettää, kaikki kuulevat, vain ”oikea” laite vastaanottaa Paljon erilaisia Lähellä suoritinta olevat ovat nopeampia
34	TTK-91 koneen simulaattori (6) Tavallinen Javalla tai Pascalilla kirjoitettu ohjelma TTK-91 koneen osat tietorakenteina rekisterit, MMU, CU, muisti Simuloi käskyjen suoritussykliä käsky kerrallaan Titokoneessa myös suorituksen animointi Toteuttaa myös TTK-91 koneen käyttöjärjestelmän osat osana tavallista ohjelmaa assembler kääntäjä, lataaja, debugger, kesk. käsittelijät Graafinen käyttöliittymä
35	TTK-91 käskyn suoritussykli
36	-- Luennon 5 loppu --